Väldigt bra fråga! Det verkar vid första anblick självmotsägande, eller hur? Det har flera orsaker, den mest uppenbara är att termodynamisk jämvikt är vid en lägre temperatur ju högre upp man kommer. Alltså, om inget annat påverkar så kommer luften stråla av värme och bli uppvärmd av solen. Allra längst upp i atmosfären beror temperaturen i princip bara på detta, vilken termodynamisk jämviktstemperatur som luften har (olika ämnen, speciellt olika färger och ytegenskaper har olika jämvikt).
Ju länge bort från jordens yta, desto mindre långvågig värmestrålning från jorden absorberas. Det mesta absorberas av växthusgaser närmare ytan (det är därför som mesosfären och jonosfären blir _kallare_ med ökad växthuseffekt).
En annan faktor är att luften expanderar, så att värmen helt enkelt blir "utspädd" enligt vanliga gaslagen.
Men på det hela taget, ju närmare jordytan vi kommer, desto mer komplicerat blir det. Väder och klimat, sol och vind påverkar och atmosfären är praktiskt taget aldrig i termodynamisk jämvikt vid ytan (då skulle det ju inte finnas någon varmare luft att stiga och kallare luft att sjunka).
Edit: Sakfel.
